研究了DD6镍基单晶高温合金在不同功率下重熔区内部杂晶的形成机制。碳化物的形成导致固液界面塌陷，进而诱导杂晶的形成；熔池顶部杂晶的产生主要与温度梯度、固液界面的迁移速率有关。激光功率升高导致温度梯度降低，进而诱导柱状晶向等轴晶转变（CET）；转向枝晶交汇处杂晶的产生是由枝晶交汇处的温度梯度比其他地方小以及温度梯度方向改变引起的。热应力数值模拟结果表明：低激光功率下的热输入可以有效提高温度梯度并有效降低残余应力水平，有利于抑制单晶修复过程中杂晶的形成。该研究可为单晶修复过程中杂晶的抑制提供理论和实验支撑。

镍基单晶高温合金是含有10~15种元素的复杂合金, 具备优良的高温强度和耐腐蚀性。 目前, 先进燃气涡轮发动机的涡轮部件几乎都采用空心结构的单晶叶片。 叶片服役过程中要承受超过其熔化温度数百摄氏度的高温和巨大离心应力, 是工况条件最为恶劣的航空零件, 被誉为“工业王冠上的明珠”, 研制发展更耐高温的叶片材料以及改进叶片的冷却技术是提高涡轮进口温度的关键手段。 新一代的单晶叶片中添加大量难熔元素（如Ta, W和Re等）用来提高承温能力, 但这些元素在凝固过程中存在严重的枝晶偏析, 导致组织内成分分布不均匀。 通常采用复杂的多级热处理来溶解非平衡组织, 减小偏析。 枝晶间成分的详细表征对优化热处理工艺和叶片设计具有重要的意义。 微束X射线荧光光谱是一种无损检测技术, 制样简单, 无需镀导电膜, 可对样品进行多元素同时检测, 多用于生物和考古领域, 定量表征成分复杂的金属材料存在一定困难, 应用案例较少。 单晶高温合金具有特殊的十字枝晶组织, 尺寸约为几百微米, 微束X射线荧光光谱可以满足单晶叶片枝晶成分的详细表征和大区域面积的成分分布定量统计需求。 本实验基于微束X射线荧光光谱技术, 建立了镍基单晶高温合金枝晶成分定量统计分布表征方法, 并应用于新型单晶涡轮叶片的全域枝晶组织成分定量分布表征, 探讨了单晶涡轮叶片叶冠到榫头的成分演变规律, 获得了不同部位主元素的一次偏析比和二次偏析比。 结果表明, Re, W和Ta元素偏析严重, 随着叶片截面尺寸的增加及与冷却铜盘距离的增加, 叶片叶冠到榫头各元素的偏析程度降低; Cr, Co和Mo元素偏析比接近于1, 偏析变化不明显, 分布较均匀。 通过对单晶叶片枝晶成分的定量统计解析, 获得了单晶叶片成分的演变规律, 为叶片的设计和凝固工艺的改进提供数据支撑。

采用激光选区熔化成形了DD91镍基单晶高温合金的单条熔道，研究了激光功率和扫描速度对单道形貌、晶体取向和微观组织的影响规律。结果表明：当铺粉层厚为30 μm时，在激光功率290～305 W、扫描速度500～700 mm/s工艺窗口内，熔道连续平稳且光滑平直，熔池扁平规则，可为单晶组织的稳定生长提供保障。当熔池与单晶基板冶金良好时，熔池内晶体能够延续基板的取向沿[001]定向外延生长，但熔池对流可使晶体生长方向产生2°以内的小角度偏差，并在熔池顶部发生柱状晶向等轴晶的转变，产生杂晶缺陷。熔池底部、两侧和中部都存在大量沿[001]生长的柱状枝晶，一次枝晶臂间距为0.6～0.8 μm，实现了沿单晶基板的外延生长，但中部晶体形态转变为纺锤状；熔池顶部晶粒为细小胞状结构，生长方向由[001]转变为[100]，这主要是顶部凝固时热量更多地沿扫描方向(平行于基板)传递导致的。研究结果可为激光增材制备大尺寸单晶组织提供参考。

镍基单晶高温合金叶片的表面缺陷修复是实现其制造及延寿技术的关键,也是材料物理与化学学科的热点研究问题。提出了一种激光熔凝二次旋转基体修复单晶合金的新方法,采用实验与理论模型相结合的方式,以DD6镍基高温合金为研究对象,探究了绕[010]方向旋转45°、再沿[001]方向旋转不同角度ξ时不同晶向区域的分布变化规律。实验结果表明,随着ξ的增大,熔池内一侧单一晶向区域分布增大,同时获得了可使熔池一侧只存在单一晶区的基体取向(11 2)/[ 20 1ˉ](即ξ=45°)。本研究揭示了激光熔凝单晶高温合金过程中改变基体晶向对外延生长组织内部杂晶形成能力的影响机制,并为修复单晶高温合金叶片表面缺陷的激光熔覆修复技术提供了全新的优化思路。

采用选区激光熔化(SLM)技术,研究了工艺参数对成形SRR99镍基单晶高温合金裂纹、气孔、显微组织等的影响。结果表明,在激光功率一定的条件下,设置合理的扫描速度、扫描间距、分层厚度可成形高致密度试样。激光体能量密度是影响SRR99合金裂纹和气孔的重要因素。裂纹数量和尺寸随激光体能量密度的增大急剧增加。裂纹大多始于熔覆层的层间交界处,有明显的沿晶开裂特征。激光体能量密度过低时,气孔呈不规则形;随着激光体能量密度增大,气孔形貌向圆形转变。SLM沉积试样组织为微细的枝晶组织,一次枝晶间距随沉积高度的增加略有增大,二次枝晶不发达。

利用激光焊工艺焊接了IC10单晶高温合金，分析了焊接速度对接头焊缝成形、横截面形貌以及显微组织的影响。结果表明，随着焊接速度的减小，焊缝的表面和背面宽度增大。不同焊接速度下焊缝的横截面均呈典型的“酒杯”状。焊缝主要由细晶区和胞状晶以及柱状晶组成。不同焊接速度下的焊缝中均存在沿晶界扩展的焊接裂纹。接头中晶粒的生长方向趋于一致，从而增大了接头裂纹的敏感性。

根据柱状晶向等轴晶转变(CET)图，建立了激光熔池横截面的几何关系，得出了选区激光熔化(SLM)镍基单晶高温合金的凝固条件与显微组织的关系，并在SRR99单晶基板的(100)晶面上沿［001］方向进行了SLM实验。结果表明，当激光功率为160 W、铺粉层厚为20 μm、扫描速率Vb≤30 m·min-1时，凝固速度与激光扫描速度的夹角最小值为46.4°(大于45°)。可以预测激光熔池组织仅由熔池底部向顶部生长的［001］枝晶和熔池两侧的［010］枝晶组成，实验结果与理论分析结果相吻合，且层间形成了良好的冶金结合，基层的结晶取向得到延续。

研究了基材热处理态和激光扫描速率对多道沉积DD5单晶高温合金沉积道内的杂晶(SGs)形核位置及数量的影响, 探讨了不同条件下杂晶的形成机理。结果表明, 当激光扫描速由5 mm/s增大到20 mm/s时, 沉积道顶部的柱状晶-等轴晶转变(CET)导致杂晶数目减少; 采用固溶方式处理基材时, 沉积道底部杂晶的尺寸和数量较铸态基材的明显减小; 沉积道之间的相互搭接不会产生新的杂晶;当采用固溶态基材、激光扫描速率为20 mm/s时, 基本可以得到无杂晶的多沉积道搭接界面。